Transcript 06 solid surfaces

SOLID SURFACES
PERMUKAAN PADATAN
Introduction
 Molekul di permukaan, tersusun dengan cara yang
berbeda dengan di fasa ruah
 Pernyataan ini secara umum berlaku baik untuk
solid maupun liquid
 Perbedaannya ada pada saat solid ter-deformed
oleh gaya luar yang kecil, ia akan bereaksi secara
elastis sementara liquid akan bereaksi secara
plastis
 Individual atom dan molekul pada solid hanya
mampu bervibrasi disekitar posisi reratanya atau
dengan kata lain fixed pada posisi tertentu
 Namun solid dapat juga bersifat mobil dan
mengalir dengan sangat lambat pada kasus
tertentu
 Saat solid mengalami sintering, dimana
serbuk padat dipanaskan pada suhu 2/3 titik
leleh, molekul di permukaan menjadi lebih
mobil dan dapat berdifusi secara lateral
 Saat didinginkan, material akan memadat
pada bentuknya yang baru dan akan
terbentuk continuous solid
 Kebanyakan solid tidak bersifat kristalin
dipermukaannya, hal ini berlaku untuk padatan
amorf juga untuk kristal dan polikristal
 Beberapa surfaces mengalami oksidasi pada
suhu ruang, contohnya alumunium yang
membentuk lapisan oksida keras sesaat
terekspos udara
 Bahkan pada kondisi atmosfir inert atau ultrahigh
vacuum (UHV) molekul permukaan membentuk
lapisan amorf diatas solid ruah kristalin
Beberapa alasan akademis
 Struktur permukaan kristal yang well defined
memungkinkan eksperimen membandingkan sampel
yang berbeda untuk material yang sama
 Struktur periodik permukaan kristal membantu
deskripsi teoritis sehingga memungkinkan kita
menggunakan metode difraksi untuk
menganalisisnya
 Permukaan kristalin sangat penting di dunia semi
konduktor dan banyak alat semi konduktor moidern
memerlukan produksi permukaan kristal yang
baik/defined
Deskripsi Permukaan Kristalin
 Kita awali dari contoh sederhana dimana
kristal ideal dengan satu atom per unit selnya
dipotong sepanjang bidang dengan asumsi
permukaannya tidak berubah
 Struktur permukaan yang dihasilkan
didefinisikan dengan melihat struktur kristal
ruah dan orientasi relatif bidang potong
 Struktur permukaan ideal ini dinamakan
struktur substrat. Orientasi bidang potong dan
juga permukaan biasanya dinotasikan
dengan besaran indeks Miller
Penentuan Indeks Miller
Krist al3 dimensi diuraikan dengan
 

vekt orunit sel 3 dimensi a1 , a2 dan a3 .
Bidang yangdiarsir memot ongsumbu
krist alpada koordinat(3,1, 2) jika
dibalik  13 , 11 , 12  Fakt orpengali t erkecil
unt uk membuat nyabulat adalah 6
sehingga indeks Miller (263)
Gambar 8.1
 Notasi {hkl} digunakan untuk menunjukkan bidang




(hkl) dan semua bidang ekivalen yang simetris
Dalam kristal kubus misalnya (100), (010) dan (001)
semuanya ekivalen dan ditulis {100}
Kristal heksagonal close packed biasanya dituliskan
dengan 4 vektor kisi/lattice sehingga indeks Millernya
4 (h k i l) dimana indeks ke-4 didefinisikan i = -(h + k)
Dalam surface science, permukaan dengan indeks
rendah biasanya cukup menarik perhatian
Pada gambar berikut 3 diperlihatkan contoh
permukaan indeks rendah (low index surface) untuk
kisi fcc
Gambar 8.2
 Permukaan (100) ekivalen dengan (010) dan (001),
permukaan (110) ekivalen dengan (011) dan (101)
 Permukaan kristalin dapat dibagi menjadi 5 kisi
Bravais berdasarkan simetri yang dimiliki
 Kisi ini dikarakterisasi oleh sudut kisi  dan panjang
vektor kisi a1 dan a2. posisi vektor semua individual
atom di permukaan dindikasikan oleh



r  n. a1  m. a2
 Dimana n dan m bilangan bulat
5 Kisi Bravais 2 dimensi
Surface Relaxation dan Reconstruction
 Atom di permukaan solid kehilangan tetangga di
satu sisi, akibat asimetri ini atom teratas
diasumsikan berbeda strukturnya dengan fasa ruah
 Pada surface relaxation, bidang lateral atau bidang
sisi dalam atom permukaan tidak berubah namun
jarak antara lapisan paling atas mengalami
perubahan
 Pada logam biasanya kita menjumpai jarak yang
tereduksi pada lapisan teratas, ini disebabkan
adanya lapisan dipole di permukaan logam yang
dihasilkan dari persamaan gelombang elektron
pada atom permukaan terdistorsi
Reduksi jarak interlayer antara 2 lapisan
teratas dibandingkan fasa ruah untuk (110)
unreconstructed Cu, Ni, Au dan Pd
Cu
Ni
Au
Pd
0,020 Å
0,156 Å
0,125 Å
0,080 Å
 Pada surface reconstruction jarak sisi antar atom
permukaan berubah, contohnya pada sisi (100)
Au, Ir, Pt dan W
 Gambar berikut memperlihatkan surface
reconstruction yang memicu pelebaran jarak kisi
pada satu arah
Preparasi Permukaan Bersih
 Untuk mempreparasi permukaan kristalin, material
awal biasanya yang murni, kristal tunggal secara 3dimensi
 Kristal ini kemudian diiris pada orientasi yang
diinginkan, jika materialnya bersifat keras maka dipolish namun jika materialnya lembut maka dicuci
secara elektrokimia
 Namun proses kimia dan elektrokimia biasanya
tidak sejalan dengan kondisi UHV
 Metode in situ preparasi permukaan yang
dilakukan dalam chamber UHV lebih diutamakan
Metode ini Mencakup – Thermal
Treatment
 Pemanasan material dapat menyebabkan desorpsi
spesies yang terikat lemah dari permukaan,
sehingga cara ini dapat digunakan untuk
membersihkan permukaan
 Efek samping positifnya adalah proses annealing
mereduksi jumlah cacat permukaan karena ia
meningkatkan laju diffusi atom-atom surface dan
ruah
 Namun efek negatifnya adalah terjadinya pelelehan
permukaan dan transisi fasa yang mengakibatkan
pembentukan struktur yang tidak dikehendaki
Cleavage - Pemotongan
 Pemotongan kristal ruah untuk menghasilkan
bidang kisi yang bersih dapat dilakukan pada
material yang brittle
 Contohnya adalah mica, atau HOPG (highly
oriented pyrolitic graphite) yang memperlihatkan
struktur berlayer yang siap untuk dipotong
 Keterbatasan dari metode ini adalah bisa jadi
dihasilkan konfigurasi permukaan yang metastabil
yang berbeda dengan kondisi kesetimbangan,
sehingga hanya bidang tertentu saja yang dapat
dilakukan cleavage
Gambar 8.8 Cleavage
Sputtering
 Pada metode ini, permukaan dibombardir
dengan ion-ion gas mulia, sehingga kontaminan
dan juga beberapa lapisan awal material akan
hilang
 Gas inert biasanya pada tekanan 1 Pa
dimasukkan pada vacuum chamber, kemudian
diberikan medan listrik tegangan tinggi
 Elektron yang dilepaskan pada proses ionisasi
akan terakselerasi oleh medan listrik dan
menabrak serta mengionisasi lebih lanjut atomatom gas
Gambar Sputtering
Evaporation
 Evaporasi adalah teknik vacuum untuk
mendeposisikan lapisan tipis
 Material yang akan didepositkan dipanaskan
hingga menguap, karena evaporasi dilakukan
pada vacuum maka ia akan terkondensasi
langsung ke substrat yang ditempatkan pada
posisi yang bersesuaian
 Biasanya lapisan amorf atau polikristalin setebal
10 nm dapat dibentuk dengan cara ini
 Untuk mendapatkan permukaan kristalin, sampel
biasanya dianneal selama atau setelah evaporasi
Gambar - Evaporasi
Molecular Beam Epitaxy (MBE)
 Dalam MBE, pancaran molekuler digunakan
untuk mendepositkan lapisan epitaxial diatas
permukaan substrat kristalin yang
dipanaskan (500 – 600oC)
 Epitaxial maknanya struktur kristal dari
lapisan yang ditumbuhkan match dengan
struktur kristal substrat
 Hal ini dimungkinkan hanya jika kedua
material sama (homoepitaxy) atau jika
struktur kristal kedua material mirip
(heteroepitaxy)
Termodinamika Permukaan Padatan
 Saat membahas permukaan liquid, tegangan




permukaan adalah parameter penting, namun jika
kita kembangkan ke permukaan padatan timbul
beberapa permasalahan
Jika permukaan liquid membesar, maka jumlah atom
permukaan juga meningkat
Untuk permukaan padatan peningkatan plastis
seperti diatas bukanlah satu-satunya pilihan
Ada mekanisme lain yaitu peningkatan elastis dari
luas permukaan
Jika permukaan solid meningkat akibat peregangan
mekanis, jarak antar atom permukaan bertetangga
akan berubah, sementara jumlah atom dipermukaan
tidak berubah
 Peningkatan luas permukaan ini biasa diuraikan dari




sudut pandang surface strain (tegang)
Surface strain total diberikan oleh tot perubahan luas
permukaan dibagi luas seluruh permukaan dtot =
dA/A
Surface strain dapat dibagi menjadi plastic strain dp
dan elastic strain de sehingga dtot= dp + de.
Untuk menjelaskan peningkatan elastic luas
permukaan, digunakan pendekatan surface stress 
Perubahan energi bebas Gibbs per unit area
diberikan oleh kerja reversibel yang dibutuhkan untuk
meluaskan permukaan melawan surface tension 
dan surface stress 
d p
d e
 
. 
.
d tot
d tot
S
 Disini S disebut parameter intensive
permukaan umum atau energi permukaan
dan bukan besaran termodinamika
sesungguhnya karena tergantung pada
bagaimana padatan terbentuk
 Hubungan antara surface tension dan surface
stress diturunkan oleh Shuttleworth


 
 e
Penentuan Energi Permukaan
 Penentuan parameter energi
permukaan seperti surface tension,
surface stress, energi dalam dll adalah
pekerjaan yang sulit, hal ini terjadi
karena beda metode akan
menghasilkan beda parameter dan
hasilnya tidak dapat dibandingkan
 Parameter energi permukaan dapat
dihitung dari berbagai pendekatan
Padatan Kovalen
 Ikatan pada padatan kovalen didominasi oleh
interaksi short-range
 Energi dalam permukaan dihitung berdasarkan
setengah dari energi yang diperlukan untuk
memisahkan ikatan melewati cross-sectional
area tertentu
 Ini dinamakan nearest neighbor broken bond
model
 Energi bebas Gibbs permukaan tidak terlalu
berbeda karena pada suhu ruang, kontribusi
entropik dapat diabaikan
Kristal Gas Mulia
 Kristal gas mulia terbentuk karena gaya van
der Waals, untuk menghitungnya bisa dengan
eksperimen rekayasa yaitu dengan
memisahkan kristal pada posisi atomic fixed
 Langkah ini kemudian diikuti tahap kedua
yaitu posisi molekuler ditata ulang
berdasarkan suasana baru
 Ini dapat dilakukan dengan simulasi komputer
Gambar 8.11
Kristal Ionik
 Untuk kristal ionik pendekatan serupa dapat
digunakan namun interaksi Coulomb harus
juga diperhitungkan selain gaya tarik van der
Waals dan tolakan Pauli
 Walaupun gaya tarik van der Waals sedikit
menyumbang pada energi kisi 3 dimensi,
kontribusinya pada energi permukaan cukup
signifikan pada kisaran 20 – 30%.
 Energi permukaan terhitung akan sangat
tergantung pada pemilihan tertentu dari
potensial antar atomik
Logam
 Untuk logam ada dua metode yang dapat
digunakan untuk menghitung energi
permukaan
 (1) seperti pada kasus gas mulia dan kristal,
energi permukaan dihitung berdasarkan
potensial interaksi antar atom
 (2) menggunakan model pendekatan elektron
bebas dalam kotak, dimana dindingnya
adalah permukaan dari logam
Surface Steps dan Cacat
 Jika suatu kristal dipotong dengan sudut kecil  relatif
terhadap permukaan low-index, maka permukaan
akan memperlihatkan steps atau ledges yang
memisahkan teras low-index
 Jarak rerata steps dengan tinggi h diberikan oleh d =
h/sin , dimana  sudut antar permukaan low-index
dan permukaan
 Jenis permukaan diatas dinamakan vicinal, gambar
8.12 menunjukkan permukaan vicinal pada kristal
kubus sederhana
 Jika ada tambahan kemiringan pada bidang potong,
ledges akan memiliki kink (kekusutan)
Gambar 8.12
 Permukaan riil akan selalu memperlihatkan
sejumlah tertentu cacat pada suhu diatas 0 K
(Gambar 8.13)
 Hal ini terjadi karena cacat memiliki energi
pembentukan positif dibandingkan
permukaan kristal ideal
 Apa yang menstabilkan cacat ini adalah
perubahan entropi akibat adanya
ketidakteraturan, oleh karenanya sejumlah
tertentu cacat – yang meningkat dengan
peningkatan suhu – akan selalu ada
Gambar 8.13
 Cacat sejalan dengan kenaikan suhu akan memicu
kekasaran permukaan kristal
 Perhitungan untuk permukaan low-index
menghasilkan suhu transisi kekasaran diatas
temperatur leleh
 Alasan atas hal ini adalah energi pembentukan yang
tinggi dari ledge pada permukaan low-index
 Untuk permukaan vicinal dimana ledge telah ada,
kekasaran dapat terjadi akibat pembentukan kink dan
suhu transisi kekasaran teramati pada setengah dari
temperatur leleh
 Tipe cacat yang penting adalah dislokasi
 Dislokasi tidak stabil secara termodinamik
namun secara kinetik stabil
 Ada 2 jenis dislokasi primer yaitu edge
dislokasi dan screw dislokasi
 Edge dislokasi terkait dengan bidang
tambahan (setengah) atom dalam kristal ruah
 Screw dislokasi menciptakan step pada
permukaan yang dimulai dari timbulnya
dislokasi di permukaan
Gambar 8.14